單極測(cè)速發(fā)電機(jī)

單極測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出特性

1、空載

當(dāng)轉(zhuǎn)速為n（r/min）， 空載磁通為

式中

為空載輸出斜率。

在單極電機(jī)中，氣隙磁通

2、負(fù)載

從理論分析， 在負(fù)載狀態(tài)下， 存在著電樞反應(yīng)。在直流換向器電機(jī)中， 電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于電刷偏離幾何中性線的位置而在直流單極電機(jī)中， 電樞反應(yīng)的性質(zhì)則取決于集電裝置的結(jié)構(gòu)采用電刷集電的單極電機(jī)， 在電樞中將會(huì)出現(xiàn)不平衡電流， 它建立的縱軸電樞反應(yīng)， 在發(fā)電機(jī)狀態(tài)下起去磁作用， 而橫軸電樞反應(yīng)使主磁場(chǎng)畸變， 且引起向刷邊擠流。

電機(jī)的工作點(diǎn)通常處在磁化曲線的非線性部分， 因而將引起總磁通減少和相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)降低。在低電壓、大電流的大功率單極電機(jī)中， 橫軸電樞反應(yīng)磁勢(shì)要比換向器電機(jī)強(qiáng)烈得多， 而它的橫軸磁阻又是很小的， 因此， 電樞反應(yīng)磁場(chǎng)很大。曾在試驗(yàn)中已經(jīng)證實(shí)， 在大電流的情況下， 若不采取克服電樞反應(yīng)的有效措施， 輸出特性的線性度將是很差的。但是， 在微機(jī)測(cè)試中， 通過單極電機(jī)本身的測(cè)試電流極小， 而電樞的導(dǎo)體數(shù)為1， 因此， 電樞反應(yīng)磁勢(shì)與激磁磁勢(shì)相比則微不足道， 電機(jī)實(shí)際處于空載狀態(tài)。故這種電機(jī)在測(cè)試狀態(tài)下仍有良好的線性度。

單極測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波系數(shù)

單極測(cè)速發(fā)電機(jī)， 電樞無(wú)齒槽， 無(wú)換向器， 不象直流測(cè)速發(fā)電機(jī)那樣， 存在著電勢(shì)多邊形和齒諧波引起的電壓脈動(dòng)單極測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出無(wú)紋波的直流電壓信號(hào)。它不存在換向問題以及由于換向火花而產(chǎn)生的無(wú)線電干擾。這對(duì)于轉(zhuǎn)速測(cè)量的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)測(cè)試精度以及排除微機(jī)測(cè)試中的干擾源無(wú)疑是一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。

單極測(cè)速發(fā)電機(jī)無(wú)信號(hào)區(qū)

無(wú)信號(hào)區(qū)的大小取決于無(wú)信號(hào)區(qū)的邊界轉(zhuǎn)速n_z， 由測(cè)速發(fā)電機(jī)原理可知：

即無(wú)信號(hào)區(qū)的范圍僅取決于電刷的接觸壓降

由圖可知， 由于微機(jī)測(cè)試的電流極小， 即電刷的電流密度極小， 電刷壓降是很小的。已經(jīng)證明， 只要合理的選擇電刷和電刷壓力， 即使空載輸出斜率為毫伏級(jí)， 在微機(jī)測(cè)試中， 無(wú)信號(hào)區(qū)域仍然是很小的。

單極測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓不對(duì)稱度

由于單極電機(jī)為一單根導(dǎo)體在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)， 正、反向運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)行性能完全一樣，故輸出電壓對(duì)稱性能好。

單極測(cè)速發(fā)電機(jī)最大允許轉(zhuǎn)速

單極測(cè)速發(fā)電機(jī)不象直流測(cè)速發(fā)電機(jī)受換向片間電壓的限制， 從而限制了最高轉(zhuǎn)速。單極測(cè)速發(fā)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速僅受軸承結(jié)構(gòu)限制， 故轉(zhuǎn)速可以很高。

單極測(cè)速發(fā)電機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)

單極測(cè)速發(fā)電機(jī)導(dǎo)體數(shù)N=1， 電樞電感很??；由于發(fā)出的是無(wú)紋波的直流電壓信號(hào)， 不需要濾波電路。因此， 瞬態(tài)響應(yīng)好。

綜合上述， 單極測(cè)速發(fā)電機(jī)無(wú)論是穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)， 都具有優(yōu)良的品質(zhì)， 是一種理想的測(cè)速元件。

單極測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 沒有換向紋波和齒諧波帶來(lái)的測(cè)量誤差， 也不會(huì)因?yàn)樾枰捎脼V波措施而增加了時(shí)間常數(shù)或?yàn)V掉了有用的波形，它的瞬態(tài)響應(yīng)好， 靈敏度高。因此， 單極測(cè)速發(fā)電機(jī)無(wú)論是穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)都具有優(yōu)良的品質(zhì)， 尤其在速度的動(dòng)態(tài)測(cè)量中， 它是一種理想的測(cè)速元件。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展和微計(jì)算機(jī)的應(yīng)用， 研究單極測(cè)速發(fā)電機(jī)及其在轉(zhuǎn)速測(cè)量中的應(yīng)用， 對(duì)研究動(dòng)態(tài)參數(shù)， 滿足現(xiàn)代快速驅(qū)動(dòng)的要求是一項(xiàng)有意義的工作。

單極測(cè)速發(fā)電機(jī)的原理為一個(gè)圓柱式或圓盤式電樞在極性不變的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，并在電樞中感應(yīng)電勢(shì)。 眾所周知， 此時(shí)所產(chǎn)生的電勢(shì)：

n——為工作轉(zhuǎn)速。

測(cè)速發(fā)電機(jī)一般要求體積小， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 工作可靠。故單極測(cè)速發(fā)電機(jī)選用圓筒式空芯懷轉(zhuǎn)子， 半利川的永磁式結(jié)構(gòu)。為了保證磁場(chǎng)的勻強(qiáng)性， 不宜采用非磁性墊塊的方法來(lái)克服電樞反應(yīng)在流引時(shí)， 可采用回路補(bǔ)償法。對(duì)于這種低電壓的電刷引流裝置， 為了防止電刷的跳動(dòng)和接觸壓降的波動(dòng)， 電刷裝置和電刷壓力的設(shè)計(jì)相當(dāng)重要。

交流測(cè)速電機(jī)分異步與同步測(cè)速電機(jī)兩種。

測(cè)速發(fā)電機(jī)異步測(cè)速發(fā)電機(jī)

異步測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出交流電壓頻率與勵(lì)磁頻率相同，其幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比的交流測(cè)速發(fā)電機(jī)。異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和普通兩相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同， 定子上互差90°的兩相繞組中， 一相為勵(lì)磁繞組，接在50 Hz或400 Hz的交流電源上，另一相輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)。當(dāng)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)，定子勵(lì)磁繞組在轉(zhuǎn)子多相對(duì)稱繞組中只產(chǎn)生變壓器電動(dòng)勢(shì)， 于是轉(zhuǎn)子磁通勢(shì)和定子磁通勢(shì)方向相反，起去磁作用，與這兩個(gè)磁通勢(shì)垂直的輸出繞組中不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后，籠型繞組中除產(chǎn)生變壓器電動(dòng)勢(shì)外還將產(chǎn)生切割電動(dòng)勢(shì)。由切割電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁通勢(shì)具有交軸的性質(zhì)， 它交鏈輸出繞組并在其中產(chǎn)生和轉(zhuǎn)速成正比的信號(hào)電壓。信號(hào)電壓的頻率和電源電壓的相同， 信號(hào)電壓對(duì)電源電壓的相位差隨旋轉(zhuǎn)方向改變， 所以很適于和交流伺服電動(dòng)機(jī)配套使用?；\型轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，輸出斜率大;但線性度差，相位誤差大，剩余電壓高。為了提高異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的精度，應(yīng)用較廣的是杯形轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)。這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子是一個(gè)薄殼非磁性圓環(huán)， 由電阻率較高的硅錳青銅或錫鋅青銅制成，杯的內(nèi)外由內(nèi)定子和外定子構(gòu)成磁路，杯壁也不是鐵磁材料。為了減小氣隙，杯壁必須較薄，約為0.2～0.3 mm。

阻尼型測(cè)速發(fā)電機(jī)是具有較高的堵轉(zhuǎn)理論加速度值和較低的零速輸出電壓 (轉(zhuǎn)速等于零時(shí)輸出繞組兩端產(chǎn)生的電壓為零速輸出電壓，它是轉(zhuǎn)子位置的函數(shù))的異步測(cè)速發(fā)電機(jī)。比率型測(cè)速發(fā)電機(jī)是速敏輸出電壓(輸出電壓中為速度函數(shù)的基波輸出電壓分量。它在數(shù)值上等于在相同轉(zhuǎn)速和試驗(yàn)條件下， 按兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向所測(cè)得的基波輸出電壓之和的1/2) 對(duì)零速輸出之比較高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較低，整個(gè)速度范圍內(nèi)輸出電壓線性度較高的異步測(cè)速發(fā)電機(jī)。積分型測(cè)速發(fā)電機(jī)是輸出電壓隨溫度變化偏差小、加熱時(shí)間短的異步測(cè)速發(fā)電機(jī)， 通常具有溫度控制和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組中如果通以直流， 直軸磁通就將不再脈振而變成恒定磁通。當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，由切割電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的交軸磁通亦將恒定不變， 所以輸出繞組中不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，交軸磁通的大小將隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化， 它交鏈輸出繞組并在其中產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子加速度成正比的電動(dòng)勢(shì)， 所以向異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組中送入直流， 就成為一個(gè)加速度檢測(cè)器。

測(cè)速發(fā)電機(jī)同步測(cè)速發(fā)電機(jī)

同步測(cè)速發(fā)電機(jī) 采用同步電機(jī)結(jié)構(gòu)， 輸出交流電壓的幅值和頻率均與轉(zhuǎn)速成正比的測(cè)速發(fā)電機(jī)。同步測(cè)速發(fā)電機(jī)又分為永磁式、感應(yīng)子式和脈沖式。永磁式不需要?jiǎng)?lì)磁電源，轉(zhuǎn)子為永磁勵(lì)磁，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于維修的優(yōu)點(diǎn)，但極數(shù)比較少，用二極管整流后紋波比較大，濾波比較困難。感應(yīng)子式按定、轉(zhuǎn)子之間可變磁阻效應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)原理工作，極數(shù)比較多，整流后紋波比較小且便于濾波，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜維修困難。以上兩種測(cè)速發(fā)電機(jī)既可用輸出電壓的幅值去反映轉(zhuǎn)速，也可用輸出電壓的頻率去代表轉(zhuǎn)速。前者是模擬量，需要整流和濾波;后者是數(shù)字量，可以直接輸入微處理機(jī)。如果將幅值和頻率合起來(lái)使用，就有可能實(shí)現(xiàn)高靈敏度的轉(zhuǎn)速檢測(cè)，但不能判別旋轉(zhuǎn)方向，這一點(diǎn)不如直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。脈沖式以脈沖頻率作為輸出信號(hào)，可以直接輸入微處理機(jī)， 是測(cè)速碼盤中每轉(zhuǎn)發(fā)出脈沖數(shù)較少的一種。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，可以判別旋轉(zhuǎn)方向，20世紀(jì)90年代后期隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展被廣泛應(yīng)用。

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)有永磁式和電磁式兩種。其結(jié)構(gòu)與直流發(fā)電機(jī)相近。永磁式采用高性能永久磁鋼勵(lì)磁，受溫度變化的影響較小,輸出變化小，斜率高,線性誤差小。這種電機(jī)在80年代因新型永磁材料的出現(xiàn)而發(fā)展較快。電磁式采用他勵(lì)式，不僅復(fù)雜且因勵(lì)磁受電源、環(huán)境等因素的影響，輸出電壓變化較大，用得不多。

用永磁材料制成的直流測(cè)速發(fā)電機(jī)還分有限轉(zhuǎn)角測(cè)速發(fā)電機(jī)和直線測(cè)速發(fā)電機(jī)。它們分別用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)速度，其性能要求與直流測(cè)速發(fā)電機(jī)相近，但結(jié)構(gòu)有些差別。

測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

直流測(cè)速發(fā)電機(jī) 采用直流電機(jī)結(jié)構(gòu)的測(cè)速發(fā)電機(jī)，其輸出直流電壓的大小正比于轉(zhuǎn)速，極性與轉(zhuǎn)向有關(guān)。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)按勵(lì)磁方式可分為電磁式和永磁式。按電樞結(jié)構(gòu)不同可分為有槽電樞、無(wú)槽電樞、空心電樞和圓盤式印制繞組電樞。電磁式采用他勵(lì)式，不僅復(fù)雜而且輸出電壓變化較大，用得不多。永磁式的定子用高性能永久磁鋼構(gòu)成，輸出電壓變化小，受溫度變化的影響小，線性誤差小，輸出斜率(在規(guī)定條件下，單位轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的輸出電壓)高。永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)在20世紀(jì)80年代因新型永磁材料的出現(xiàn)而發(fā)展較快。永磁式有槽電樞的直流測(cè)速發(fā)電機(jī)應(yīng)用較多。永磁式低速直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速可低達(dá)每分鐘十轉(zhuǎn)或數(shù)百轉(zhuǎn)以下，或有較高的輸出斜率。無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是沒有電刷和換向器結(jié)構(gòu)， 由電機(jī)和電子電路結(jié)合的測(cè)速發(fā)電機(jī)。

測(cè)速發(fā)電機(jī)原理

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理與直流發(fā)電機(jī)相同。在恒定磁場(chǎng)下，旋轉(zhuǎn)的電樞導(dǎo)體切割磁通，就會(huì)在電刷間產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)?？蛰d時(shí)，電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。負(fù)載時(shí)，由于負(fù)載電阻、電樞電阻和電刷接觸電阻引起的電壓降，溫度變化、磁極和電樞的磁滯及渦流的影響，電樞反應(yīng)、齒槽效應(yīng)以及換向過程對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值的影響等，使電機(jī)輸出特性[輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系， 即U=f(n)]的線性度變差；電刷與換向器的接觸壓降導(dǎo)致產(chǎn)生不靈敏區(qū)。

測(cè)速發(fā)電機(jī)特點(diǎn)

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：輸出為零時(shí)，無(wú)剩余電壓;輸出斜率大，負(fù)載電阻較小;溫度補(bǔ)償較容易。主要缺點(diǎn)是：由于有電刷和換向器，構(gòu)造和維護(hù)比較復(fù)雜，摩擦轉(zhuǎn)矩較大;輸出電壓有紋波;正反轉(zhuǎn)輸出電壓不對(duì)稱; 對(duì)無(wú)線電有干擾。